Природничі науки. 1 частина. 11 клас. Гільберг

Утворює каркас, надає форму, забезпечує опору, рух і захист

Пригадаймо будову й функції м’язово-скелетної системи людини (мал. 11.2).

Скелет підтримує людину у вертикальному положенні. Захисну функцію виконують кістки черепа, хребта, грудної клітки, таза, а також м’язи живота, захищаючи від впливу зовнішніх факторів головний і спинний мозок, легені, серце й органи черевної порожнини. Рухову функцію виконують кістки й м’язи кінцівок, хребет, м’язи спини та грудей.

Кровотворну функцію виконують переважно плоскі кістки, у яких міститься червоний кістковий мозок. Як депо деяких мінеральних солей і мікроелементів скелет бере участь у мінеральному обміні (солей кальцію, Феруму, Фосфору), а м’язи, депонуючи глікоген, — у вуглеводному обміні.

Мал. 11.2. Скелет і м’язи

Скелет побудований з кісткової і хрящової тканин, а м’язи утворені м’язовою тканиною. Кістки дають тілу опору, скелетні м’язи — силу й міць.

Кісткова тканина — основний матеріал опорно-рухового апарату, що за своїми механічними властивостями подібний до дерева, бетону, деяких металів. Кістки містять 50 % води, 28 % органічних речовин (зокрема 15 % білків і 10 % жирів) і 22 % неорганічних — мінеральних речовин — переважно сполук Кальцію (99 % усіх мінеральних речовин), Фосфору, Магнію та інших елементів. Кістки на третину складаються з клітин, а на дві третини — з міжклітинної речовини. Основними матеріалами кісткової тканини є гідроксилапатит і колаген. Перший з них — це неорганічна мінеральна речовина кістки у формі мікроскопічних кристаликів. Другий — органічна речовина, високомолекулярна сполука, волокнистий високоеластичний білок. Кристалики гідроксилапатиту розташовані між колагеновими волокнами. Така композиційна будова кісток надає їм потрібних механічних властивостей: твердості, пружності й міцності.

Кістки дуже міцні. Наприклад, стегнова кістка може витримати навантаження 1500 кг. Це зумовлено, насамперед, мінеральними речовинами в їхньому складі. Водночас кістка не тільки тверда, а й пружна завдяки волокнистим білкам міжклітинної речовини.

Виявлено певний віковий взаємозв’язок між кількістю білків і мінеральних речовин у кістках. Наприклад, у дітей кістки пластичніші, бо в них міститься більше білка осеїну, ніж мінеральних речовин. У літніх людей, навпаки, більший уміст мінеральних речовин, через це їхні кістки менш пружні й частіше ламаються внаслідок травмування.

За невеликих деформацій кістки можна розглядати як пружні системи, тобто вони підлягають закону Гука.

Ейфелеву вежу в Парижі скопійовано з гомілкової кістки людини. Щоб зрозуміти винахідливий задум Ейфеля, розв’яжімо задачу. Уявіть, що хтось розплавив увесь метал вежі й зробив кулю. Яким буде діаметр цієї кулі?

Мал. 11.3

Що спільного між гомілковою кісткою людини й Ейфелевою вежею? Куля якого діаметра утвориться, якщо розплавити весь метал вежі?

За висоти 324 метри Ейфелева вежа неймовірно легка. Секрет криється в розумінні типів міцності. Вивчивши будову людських кісток, ми пересвідчимося, що Ейфель застосував для конструювання вежі ті самі принципи. Тож загляньмо всередину кістки.

Якщо її розрізати, то виявиться, що кістка схожа на хлібний багет — міцна кірка зовні й м’яка та губчаста середина. Зовнішній матеріал кістки твердий і щільний. Ця міцна частина несе на собі основні навантаження. Усередині кістки міститься губчастий матеріал. Губчаста тканина відіграє важливу роль у процесах стиснення й розтягування, яких постійно зазнають наші кістки. Тепер погляньмо ближче на «корочку» цього багета — щільну кістку. Вона складається з крихітних трубочок, діаметр кожної з яких — 0,2 мм, із кровоносною судиною усередині. Ці трубочки складаються з крихітних пучків волокон білків. А кожне волокно сплетене з трьох ниток. «Розпустимо» їх і отримаємо основну одиницю наших кісток — довгу, схожу на ланцюжок, молекулу колагену.

Завдяки такій структурі — трубочки всередині трубочок усередині трубочок усередині трубочок — наші кістки легкі і міцні. Порівняти міцність кістки з міцністю інших конструкційних матеріалів ви зможете, проаналізувавши таблицю 11.1 (зробіть це).

Таблиця. 11.1. Показники міцності деяких конструкційних матеріалів

Матеріал

Міцність, МПа

На розтягування

На стискування

Сталь

827

552

Кістка

120

170

Граніт

5

145

Бетон

2

25

У багатьох кісток, особливо опорних, трубчаста будова.

Що впливає на ріст кісток? Гормон росту, вироблюваний гіпофізом. Він залежить від обміну мінеральних речовин, насамперед сполук Кальцію й Фосфору та вітамінів Д. А також тривала дія певного фізичного чинника. Активно працюючі скелетні м’язи стимулюють ріст кісток, до яких вони прикріплені.

У людини понад 600 скелетних м’язів, які дають їй змогу пересуватися в просторі. Щоб зробити один крок, ми задіюємо 200 м’язів. Поцілунки є відмінним профілактичним засобом проти появи зморщок на обличчі, оскільки задіюють від 29 до 34 лицьових м’язів.

До складу м’язів входить сполучна тканина — волокна колагену та еластину. У клітинах м’язів є величезні запаси глікогену. У скелетних м’язах є специфічні рецептори м’язового чуття, які дають змогу контролювати положення тіла. Один з результатів м’язового скорочення — вироблення тепла. Основними фізіологічними властивостями м’язів є збудливість і скоротливість.

Дослідження м’язів показало, що вони різняться за фізіологічними параметрами (збудливість, ритм скорочень і розслаблень тощо), за біохімічними властивостями (активність ферментів, хімічний склад), за механічними властивостями (пружність, пластичність, деформації тощо).

Скелет дорослої людини складається з 206 кісток, більшість з яких з’єднані так, що можуть взаємно переміщуватися. У скелеті приблизно 150 з’єднань, більша частина яких — суглоби. У суглобах є синовіальна рідина, що виконує функцію мастила для суглобів.

Механічні властивості зв’язок і сухожилків суттєво залежать від тривалості навантаження, швидкості деформації, статі, віку, іммобілізації, умісту гормонів, характеру фізичних навантажень. Максимальна міцність сухожилків припадає на вік 21—25 років.